CN107191861B - 一种均匀色温的双自由曲面透镜 - Google Patents

一种均匀色温的双自由曲面透镜 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种均匀色温的双自由曲面透镜，包括入射自由曲面、出射自由曲面和侧边连接面；侧边连接面为连接入射自由曲面及出射自由曲面的侧壁。目前，对于特殊照明领域，通常采用两种系统：透镜以及反射器或者两者相结合进行配光,一般的配光系统通常会采用单透镜，入射面/出光面采用自由曲面或者使用双自由曲面来实现配光的效果。但是单片透镜不可避免地存在光学畸变，例如：色差（色散），失真（枕形或桶形），球面差等。目前很少有研究针对使用单透镜对LED配光后色温的影响。本发明对上述问题提出了可以控制配光角度的双自由曲面透镜，为透明光学材料制成，其透明材料为PC或PMMA或光学玻璃；通过该双自由曲面透镜配光得到的光斑色温均匀。

Description

一种均匀色温的双自由曲面透镜
技术领域
本发明涉及特殊照明(如机动车照明)领域，具体涉及能应用于家用、商业照明以及特殊道路行车照明领域的一种均匀色温的双自由曲面透镜。
背景技术
目前，对于特殊照明(机动车照明)领域，通常采用两种系统：透镜以及反射器或者两者相结合进行配光,一般的配光系统通常会采用单透镜，入射面/出光面采用自由曲面或者使用双自由曲面来实现配光的效果。但是单片透镜不可避免地存在光学畸变，例如：色差(色散)，失真(枕形或桶形)，球面差等。目前很少有研究针对使用单透镜对LED配光后色温的影响。
采用自由曲面光学透镜进行配光，主要有在入射面或出射面采用自由曲面的方式，或者两者相结合的双自由曲面。
目前很多设计都是针对照度控制及光能分布方面，而对色温均匀照明方面很少有相关设计方法，因此有必要针对行车照明领域提出了一种双自由曲面设计方法，以得到一种双自由曲面透镜来实现均匀色温照明光斑。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种均匀色温的双自由曲面透镜。对于特殊照明(机动车照明)领域，通常采用两种系统：透镜以及反射器或者两者相结合进行配光,一般的配光系统通常会采用单透镜，入射面/出光面采用自由曲面或者使用双自由曲面来实现配光的效果。但是单片透镜不可避免地存在光学畸变，例如：色差(色散)，失真(枕形或桶形)，球面差等。目前很少有研究针对使用单透镜对LED配光后色温的影响。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种均匀色温的双自由曲面透镜，其包括入射自由曲面、出射自由曲面和侧边连接面；侧边连接面为连接入射自由曲面及出射自由曲面的侧壁。
进一步地，所述入射自由曲面、出射自由曲面的形状确定如下：定义配光角度θθ为折反射定律：
Figure BDA0001356672210000011
中法向量
Figure BDA0001356672210000012
与出射向量
Figure BDA0001356672210000013
的夹角，控制θθ为定值来实现色温均匀，固定配光角度即固定与
Figure BDA0001356672210000022
的夹角，n为透镜折射率，由向量关系式得
Figure BDA0001356672210000023
以任一截面自由曲线为例，定义出射面其中一点的坐标为(x1,y1),入射面的其中一点坐标为(x2,y2).则由点坐标关系得出
Figure BDA0001356672210000024
为照明面距离，根据相关标准设定，R为该光源角度α由能量对应关系得出的照明面上点离中心的距离；则通过上式子反求出
Figure BDA0001356672210000025
最后求出
Figure BDA0001356672210000026
得第一组方程；
在入射面建立折反射关系式：
Figure BDA0001356672210000027
Figure BDA0001356672210000028
建立第二方程组，进行迭代计算，得出待求双自由曲面，将计算得出的自由曲线在三维绘图软件中绘成三维实体。
进一步地，所述配光角度为自由曲面任一点法向量与出射向量的夹角，表现为自由曲面的曲度，能控制出射面的屈光角度。
进一步地，所述能量对应关系，对于汽车远光灯，设定其目标照明区域是椭圆形，定义其长轴a，短轴为b；光源的总光通量为Q，中心光强为I0；定义光源为朗伯型，坐标系中θ为出射光线在XOY平面上的投影与X轴的夹角，为出射光线与Z轴正方向的夹角；对光源的立体角进行离散化，把等分成i份，对于每一个都将θ等分成j份，形成一系列角度环带区域，这样就得到了和θ(i，j)的数组；
每一份角内的每一份θ角内光源的光通量为：
Figure BDA0001356672210000029
利用能量守恒定律将目标照明区域进行环带划分，
对应于光源立体角的环带划分方式，照明面的直角坐标也相应的划分为椭圆形环带区域，椭圆长半轴a，短半轴b分别在x，y方向上分成i份，形成的椭圆可以表示为：
x＝aicosα
y＝bicosα
式中，ai表示等分后长半轴a的第i份，bi表示等分后短半轴b的第i份，α的取值范围为0～2π；
对于每一个i，都将α分成j份，在接收屏直角坐标系中得到与光源立体角中θ(i)和数组一一对应的ai，bi，x(i，j)和y(i，j)数组；
对于自由曲面，在目标照明区域上，每一份θ角所对应的是部分椭圆围成的环带区域，该环带区域的总能量为：
Figure BDA0001356672210000031
式中，S(x(i，j)，y(i，j))表示水平线下方的部分椭圆环带区域面积函数，u表示椭圆长半轴，v取表示椭圆短半轴，与其对应的α的取值范围为π～2π，δ(k)表示照度值，根据国标GB25991 2010远光灯的照明面上区域的照度值预设照度E，结合δ(k)函数用来控制接收屏上指定区域的照度值大小，用以形成预定的照度分布，对于照明面上的不同区域有
Figure BDA0001356672210000032
上述过程中，从光源发出的光全部投射到照明面上，则环带区域与光源立体角间由能量守恒定律：
Etotal＝El。
进一步地，所述双自由曲面透镜的光学材料采用PC或PMMA或光学玻璃。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
对于特殊照明(机动车照明)领域，通常采用两种系统：透镜以及反射器或者两者相结合进行配光,一般的配光系统通常会采用单透镜，入射面/出光面采用自由曲面或者使用双自由曲面来实现配光的效果。但是单片透镜不可避免地存在光学畸变，例如：色差(色散)，失真(枕形或桶形)，球面差等。目前很少有研究针对使用单透镜对LED配光后色温的影响。本发明对上述问题提出了一种控制配光角度的双自由曲面透镜，为透明光学材料制成，其透明材料为PC或PMMA或光学玻璃，通过该双自由曲面透镜配光得到的光斑色温均匀。
附图说明
图1为实例中建立计算三维坐标系示意图。
图2为实例中任一截面坐标系示意图。
图3为实例中任一截面双自由曲面计算示意图。
图4为实例中计算得出自由曲面三维效果图。
图5为实例中光源坐标系划分示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实例，对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。
如图1～图5，其中包括双自由曲面透镜1，为入射自由曲面101，为出射自由曲面102，为侧边连接面103。其中θK为控制定值配光角度；θ为某出光光线投影至XOY面与X轴的夹角；α为某出光光线与出光中心轴Z的夹角；XYZ为透镜三维坐标系，xyz为照明面三维坐标系；XOZ为任一截面坐标系，α为任一光源角度，A(x1,y1)为对应出射自由曲线某点，B(x2,y2)为对应入射自由曲线某点,H为中心O点至照明面的距离，R为该光源角度α由能量对应关系得出的照明面上点离中心的距离。
Figure BDA0001356672210000041
为出射自由曲面入射向量
Figure BDA0001356672210000042
出射自由曲面法向量出射自由曲面入射向量，
Figure BDA0001356672210000044
为入射自由曲面入射向量
Figure BDA0001356672210000045
出射自由曲面入射向量。
如图1～图4，将此透镜应用于行车照明领域时:定义材料为PC，定义配光角度θθ折反射定律：中法向量
Figure BDA0001356672210000047
与出射向量的夹角，控制θθ为定值θk(10度)来实现色温均匀，固定配光角度即固定
Figure BDA0001356672210000049
与的夹角，由向量关系式得
Figure BDA00013566722100000411
以任一截面自由曲线计算为例，定义出射面102某点坐标为(x1,y1),入射点某点坐标为(x2,y2).则由点坐标关系得出
Figure BDA00013566722100000412
为照明面距离，根据相关标准设为25m，R为该光源角度α由能量对应关系得出的照明面上点离中心的距离。则可通过上式子反求出
Figure BDA00013566722100000413
最后求出
Figure BDA00013566722100000414
此为第一组方程。
在入射面101建立折反射关系式
Figure BDA00013566722100000415
建立第二方程组，进行迭代计算，可以得出待求双自由曲面，计算得出的自由曲线在三维绘图软件中绘成三维实体。
所定义配光角度，其特征为自由曲面任一点法向量与出射向量的夹角，表现为自由曲面的曲度，控制出射面的屈光角度。
对于汽车远光灯为例，设定其目标照明区域是椭圆形，定义其长轴a，短轴为b；光源的总光通量为Q，中心光强为I0；定义光源为朗伯型，坐标系中θ为出射光线在XOY平面上的投影与X轴的夹角，为出射光线与Z轴正方向的夹角；对光源的立体角进行离散化，把等分成i份，对于每一个都将θ等分成j份，形成一系列角度环带区域，这样就得到了和θ(i，j)的数组；
每一份角内的每一份θ角内光源的光通量为：
Figure BDA0001356672210000051
利用能量守恒定律将目标照明区域进行环带划分，
对应于光源立体角的环带划分方式，照明面的直角坐标也相应的划分为椭圆形环带区域，椭圆长半轴a，短半轴b分别在x，y方向上分成i份，形成的椭圆可以表示为：
x＝aicosα
y＝bicosα
式中，ai表示等分后长半轴a的第i份，bi表示等分后短半轴b的第i份，α的取值范围为0～2π；
对于每一个i，都将α分成j份，在接收屏直角坐标系中得到与光源立体角中θ(i)和数组一一对应的ai，bi，x(i，j)和y(i，j)数组；
对于自由曲面，在目标照明区域上，每一份θ角所对应的是部分椭圆围成的环带区域，该环带区域的总能量为：
Figure BDA0001356672210000052
式中，S(x(i，j)，y(i，j))表示水平线下方的部分椭圆环带区域面积函数，u表示椭圆长半轴，v取表示椭圆短半轴，与其对应的α的取值范围为π～2π，δ(k)表示照度值，根据国标GB25991 2010远光灯的照明面上区域的照度值预设照度E，结合δ(k)函数用来控制接收屏上指定区域的照度值大小，用以形成预定的照度分布，对于照明面上的不同区域有
Figure BDA0001356672210000053
其中，从光源发出的光全部投射到照明面上，则环带区域与光源立体角间由能量守恒定律：
Etotal＝El。
如上，即可获得本发明所述的双自由曲面透镜，满足相应的国标要求。

Claims (4)

1.一种均匀色温的双自由曲面透镜，其特征在于包括入射自由曲面、出射自由曲面和侧边连接面；侧边连接面为连接入射自由曲面及出射自由曲面的侧壁；入射自由曲面、出射自由曲面的形状确定如下：定义配光角度θθ为折反射定律：
Figure FDA0002188034760000012
中法向量
Figure FDA0002188034760000013
与出射向量
Figure FDA0002188034760000014
的夹角，控制θθ为定值来实现色温均匀，固定配光角度θk即固定
Figure FDA0002188034760000015
与
Figure FDA0002188034760000016
的夹角，n为透镜折射率，由向量关系式得
Figure FDA0002188034760000017
以任一截面自由曲线为例，定义出射面其中一点的坐标为(x1,y1),入射面的其中一点坐标为(x2,y2)，则由点坐标关系得出出射自由曲面入射向量
Figure FDA0002188034760000019
H为照明面距离，根据相关标准设定，R为光源角度α由能量对应关系得出的照明面上点离中心的距离；则通过上式子反求出最后求出入射向量
Figure FDA00021880347600000111
得第一组方程；
在入射面建立折反射关系式：
Figure FDA00021880347600000112
入射自由曲面入射向量
Figure FDA00021880347600000113
建立第二方程组，进行迭代计算，得出待求双自由曲面，将计算得出的自由曲线在三维绘图软件中绘成三维实体。
2.根据权利要求1所述的一种均匀色温的双自由曲面透镜，其特征在于所述配光角度为自由曲面任一点法向量与出射向量的夹角，表现为自由曲面的曲度，能控制出射面的屈光角度。
3.根据权利要求1所述的一种均匀色温的双自由曲面透镜，其特征在于所述能量对应关系，对于汽车远光灯，设定其目标照明区域是椭圆形，定义其长轴a，短轴为b；光源的总光通量为Q，中心光强为I0；定义光源为朗伯型，坐标系中θ为出射光线在XOY平面上的投影与X轴的夹角，
Figure FDA00021880347600000114
为出射光线与Z轴正方向的夹角；对光源的立体角进行离散化，把等分成i份，对于每一个都将θ等分成j份，形成一系列角度环带区域，这样就得到了
Figure FDA00021880347600000117
和θ(i，j)的数组；
每一份
Figure FDA0002188034760000021
角内的每一份θ角内光源的光通量为：
利用能量守恒定律将目标照明区域进行环带划分，
对应于光源立体角的环带划分方式，照明面的直角坐标也相应的划分为椭圆形环带区域，椭圆长半轴a，短半轴b分别在x，y方向上分成i份，形成的椭圆可以表示为：
x＝aicosα
y＝bicosα
式中，ai表示等分后长半轴a的第i份，bi表示等分后短半轴b的第i份，α的取值范围为0～2π；
对于每一个i，都将α分成j份，在接收屏直角坐标系中得到与光源立体角中θ(i)和
Figure FDA0002188034760000025
数组一一对应的ai，bi，x(i，j)和y(i，j)数组；
对于自由曲面，在目标照明区域上，每一份θ角所对应的是部分椭圆围成的环带区域，该环带区域的总能量为：
Figure FDA0002188034760000023
式中，S(x(i，j)，y(i，j))表示水平线下方的部分椭圆环带区域面积函数，u表示椭圆长半轴，v取表示椭圆短半轴，与其对应的α的取值范围为π～2π，δ(k)表示照度值，根据国标GB259912010远光灯的照明面上区域的照度值预设照度E，结合δ(k)函数用来控制接收屏上指定区域的照度值大小，用以形成预定的照度分布，对于照明面上的不同区域有
Figure FDA0002188034760000024
t、k为调节参数；
从光源发出的光全部投射到照明面上，则环带区域与光源立体角间由能量守恒定律：
Etotal＝El。
4.根据权利要求1所述的一种均匀色温的双自由曲面透镜，其特征在所述双自由曲面透镜的光学材料采用PC或PMMA或光学玻璃。
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